Se você perguntar quanto pesa um objeto como uma bicicleta, a resposta é simples. Mas se você perguntar onde está a massa de uma bicicleta, as coisas ficam mais complexas. A bicicleta tem muitas partes, algumas das quais móveis, que têm volumes, formas e densidades diferentes, de modo que sua massa é distribuída de maneira desigual em torno de sua forma.

Até certo ponto, isso é semelhante à questão de onde está a massa de um próton. O próton é uma coleção de quarks e glúons que se movem em velocidades relativísticas em torno de um ponto central. Descobrir onde sua massa vive seria difícil, mesmo sem o fato de que a analogia da bicicleta desmorona completamente devido a um fato estranho: um próton pesa muito mais do que seus quarks componentes, e os glúons que mantêm os quarks juntos não. Eles têm massa. . Na verdade, a massa das partículas envolvidas é um tanto irrelevante. “Se você fizer cálculos em que define a massa do quark como zero, o próton é mais ou menos o mesmo”, disse o físico Sylvester Johannes Joosten à Ars.

Em vez disso, grande parte da massa do próton vem da densidade de energia incrivelmente alta criada pelas fortes interações de força dos glúons. Então, para entender a massa de um próton, temos que entender o que seus glúons fazem. O que, por não terem massa nem carga, é extremamente difícil de fazer. Mas algum trabalho experimental criou um valor para o raio de massa do próton, que descreve a distribuição de massa dentro da partícula. E acontece que o valor é significativamente diferente do raio de carga do próton.

farejando glúons

Sem massa ou carga, os glúons são muito difíceis de detectar; inferimos principalmente onde eles deveriam estar a partir dos detritos que ajudam a criar nas colisões de partículas. Até certo ponto, podemos modelar seu comportamento, mas isso é descrito principalmente pela cromodinâmica quântica, que é lendária por sua capacidade de colocar de joelhos vastos recursos computacionais. Portanto, mesmo os melhores modelos de comportamento de glúons que temos são aproximações.

Se a massa de um próton depende principalmente de seus glúons, então, e não podemos saber o que os glúons estão fazendo, como podemos saber o que está acontecendo?

O truque foi identificar um processo que pode ser detectado, mas é sensível à presença de glúons. Esse processo é a conversão de energia (na forma de luz) em matéria. Especificamente, um fóton com energia suficiente pode ser convertido no que é chamado de méson J/ψ, composto de um adorável quark e um adorável antiquark por meio de um processo que é sensível à configuração dos glúons em qualquer próton próximo. Ao medir a produção de mésons J/ψ, é possível determinar algo chamado fator de forma gravitacional gluônico, que descreve onde a massa está no próton.

Como fazemos isso é quase tão complicado quanto a descrição do processo no parágrafo anterior. Começa com um feixe de elétrons de alta energia, produzido no Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Esses elétrons então se movem para frente e para trás em sua direção de viagem em um processo altamente denominado tecnicamente: balançando. Isso faz com que percam energia, que liberam na forma de fótons de alta energia.

Esses fótons são então enviados através de uma câmara contendo um tanque de hidrogênio líquido. Ao passar pela cuba, alguns dos fótons serão convertidos em mésons J/ψ, que então decairão rapidamente. Dois dos produtos dessa desintegração são um elétron e um pósitron, que podem ser capturados por detectores, o que permite registrar a produção de mésons J/ψ. Com base nessas detecções, é possível trabalhar para trás e descobrir os fatores de forma gravitacional gluônicos.

(Observe que nem estou tentando encontrar uma analogia para os fatores de forma gravitacional gluônicos para ajudá-lo a entendê-los. Eles são descritos no artigo como “os elementos da matriz do tensor energia-momento do próton e codificam as propriedades mecânicas do próton , enquanto a anomalia de traço do tensor de energia-momento é um componente chave da origem da massa de acordo com a cromodinâmica quântica.” Você terá que confiar em todos os envolvidos que esses são termos que ajudam a descrever a relação entre glúons e massa).

Aqui e lá

Com os dados em mãos, tudo o que os pesquisadores precisavam era de um modelo de comportamento do glúon para relacionar seus resultados com o que acontece dentro de um próton. Infelizmente, os físicos produziram vários modelos diferentes, novamente porque calcular qualquer coisa que envolva diretamente a cromodinâmica quântica é quase impossível no hardware atual. Portanto, os modelos disponíveis são, em sua maioria, formas alternativas de fazer aproximações que permitem que os computadores produzam algo útil.

Na maioria das vezes, uma variedade de aproximações produziu respostas bastante semelhantes, embora as coisas tenham piorado um pouco para os fótons de energia mais baixa, que mal tinham energia suficiente para se tornar algo com a massa de J/ψ. Ainda assim, as diferentes abordagens fornecem um acordo aproximado sobre onde está a massa do próton e, portanto, o raio da massa do próton.

O que surpreende no resultado é que ele é diferente do raio de carga do próton. Embora existam algumas divergências entre as diferentes formas de medir o raio da carga (embora estejam diminuindo a cada dia), as diferenças são relativamente pequenas. E todas as medições colocam o raio da carga significativamente mais longe do que o raio da massa. Como a carga é o produto dos quarks, isso sugere que essas partículas circulam regularmente pela área frequentada pelos glúons que estão ocupados mantendo todos os prótons juntos.

Mas Joosten disse que há sinais de que a situação é ainda mais complicada. As interações que formaram os mésons J/ψ requerem a troca de glúons que tenham seus spins alinhados. Também é possível trocar glúons que possuem spins opostos, o que é chamado de interação escalar. E há algumas dicas de que o raio escalar também é diferente.

“Espera-se ver um raio escalar”, disse Joosten. “Nós vemos algo que é enorme. É muito maior, é como um grande halo ao redor do próton.”

Uma ressalva aqui é que Joosten disse que os resultados são muito preliminares: “Isso não é algo que encontramos, é algo que gostaríamos de investigar em experimentos futuros”. A outra é que seu uso do termo “enorme” é relativo; tudo isso está acontecendo dentro de uma partícula subatômica.

Mas se os resultados se mantiverem, isso sugere que o próton tem pelo menos três raios distintos (carga, massa e escalar) e todos têm comprimentos diferentes.

E é aí que a analogia da bicicleta pode fazer sentido novamente. Afinal, você não espera que o centro de massa de uma bicicleta esteja no mesmo local que seus pedais ou onde está o fone de ouvido. Embora seja um único objeto, sua natureza composta significa que esses diferentes aspectos de seu comportamento não são necessariamente co-localizados. O mesmo parece ser verdade para um próton.

Natureza, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-05730-4 (Sobre DOIs).